(57)【要約】  風車のハブ内に配置される機器を支持する架台は、その一端がハブに対して固定され、他の一端がハブに対して柔結合により結合される。風車の回転に伴うハブの変形などのハブと架台との間の相対的な変位は柔結合によって吸収される。回転に対して耐久性の高いハブ内部の架台を有する風車が提供される。
2011142033.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハブに取り付けられた翼によって風力をトルクに変換する風車であって、
前記ハブ内に配置される機器を支持する架台と、
前記架台の一端を前記ハブに対して固定する固定部と、
前記架台の他の一端を前記ハブに対して柔結合により結合する結合部
とを具備する風車。
【請求項２】
請求項１に記載された風車であって、
前記結合部において、前記架台は前記ハブに対して枢動方向に柔結合されている
風車。
【請求項３】
請求項２に記載された風車であって、
前記結合部は、
前記ハブの壁面に固定され、穴を有するフランジと、
前記穴の内側に固定された球面軸受とを具備し、
前記架台は、前記架台の前記結合部側の端部に結合されたピンを具備し、
前記結合部は、前記ピンが前記球面軸受に支持されることによって前記枢動方向の柔結合を形成する
風車。
【請求項４】
請求項３に記載された風車であって、
前記穴は貫通孔であり、
前記結合部において、前記ハブの壁に孔が形成され、
前記フランジは前記ハブの外側から前記孔を覆うように取り付けられ、
前記構造梁の前記結合部側の端部は、前記孔の内側に配置される
風車。
【請求項５】
請求項３に記載された風車であって、
前記フランジは、前記ハブの内側の壁面に固定され、
前記フランジは、前記構造梁の前記結合部側の端部を取り囲む凹部を有する
風車。
【請求項６】
請求項３から５のいずれかに記載された風車であって、
前記構造梁と前記フランジとの間に隙間が設けられた
風車。
【請求項７】
請求項３から５のいずれかに記載された風車であって、
前記球面軸受はラジアル軸受であり、
前記結合部は、前記ピンが前記球面軸受のスラスト方向に摺動することによって前記架台の長手方向の柔結合を形成する
風車。
【請求項８】
請求項１から５のいずれかに記載された風車であって、
前記結合部において、前記架台は前記ハブに対して前記架台の長手方向に柔結合されている
風車。
【請求項９】
請求項１から５のいずれかに記載された風車であって、
前記機器には前記ハブに取り付けられる翼のピッチを変化させるための油圧系統のアキュムレータ又は前記風車の動作を制御するための制御盤が含まれる
風車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風車の構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
風力発電用の風車が用いられている。図１は、風車の構成例を示す。地盤上に垂直にタワー２が固定される。タワー２上にナセル３が支持される。ナセル３に対して水平方向にハブ５が主軸４を介して回転可能に支持される。ハブ５はカバー６に覆われる。ハブ５に翼７が取り付けられる。【０００３】
風力発電時、翼７のピッチ角は効率的に風力をトルクに変換するように制御される。翼７が風を受けると、主軸４が回転する。その回転は増速機８で増速される。増速された回転によって発電機９が電力を生成する。【０００４】
ハブの構成に関する参考技術として、特許文献１を挙げる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−１２８１３５号公報
【発明の概要】
【０００６】
ハブ５の内部には、翼７のピッチ駆動・制御用の機材など、ある程度重い機材が配置される。ハブ５は概ね水平方向を向く主軸４を中心に回転するため、それらの機材を搭載する架台には、回転に伴う繰り返し荷重が作用する。また、ハブ５は、この回転や、翼に作用する風荷重によって若干の変形を受ける。ハブ５内の架台は、こうした変形に対する耐久性を持つことが求められる。特に、近年の風車の大型化に伴って、このような変形の影響を受ける架台の構成が重要になって来ると考えられる。ハブ内に配置された機器を支持し、回転に対して耐久性の高い架台が望まれる。しかし、単に架台を剛構造とすると、ハブに作用する荷重を支持可能な構造とする必要があり、重く大きくなってしまうという問題がある。
【０００７】
本発明の一側面において、風車は、ハブに取り付けられた翼によって風力をトルクに変換する。風車は、ハブ内に配置される機器を支持する架台と、架台の一端をハブに対して固定する固定部と、架台の他の一端をハブに対して柔結合により結合する結合部とを備える。
【０００８】
本発明の他の側面において、結合部において、架台はハブに対して枢動方向に柔結合されている。
【０００９】
本発明の更に他の側面において、結合部は、ハブの壁面に固定され、穴を有するフランジと、穴の内側に固定された球面軸受とを備える。架台は、架台の結合部側の端部に結合されたピンを備える。結合部は、ピンが球面軸受に支持されることによって枢動方向の柔結合を形成する。
【００１０】
本発明の更に他の側面において、穴は貫通孔である。結合部において、ハブの壁に孔が形成される。フランジはハブの外側から孔を覆うように取り付けられる。構造梁の結合部側の端部は、孔の内側に配置される。
【００１１】
本発明の更に他の側面において、フランジは、ハブの内側の壁面に固定される。フランジは、構造梁の結合部側の端部を取り囲む凹部を有する。
【００１２】
本発明の更に他の側面において、構造梁とフランジとの間に隙間が設けられる。
【００１３】
本発明の更に他の側面において、球面軸受はラジアル軸受である。結合部は、ピンが球面軸受のスラスト方向に摺動することによって架台の長手方向の柔結合を形成する。
【００１４】
本発明の更に他の側面において、結合部において、架台はハブに対して架台の長手方向に柔結合されている。
【００１５】
本発明の更に他の側面において、機器にはハブに取り付けられる翼のピッチを変化させるための油圧系統のアキュムレータ又は風車の動作を制御するための制御盤が含まれる。
【００１６】
本発明により、ハブ内に配置された機器を支持し、回転に対して耐久性の高い架台を有する風車が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
本発明の上記目的、他の目的、効果、及び特徴は、添付される図面と連携して実施の形態の記述から、より明らかになる。
【図１】図１は、風車の構成を示す。
【図２】図２は、ハブを側面から見た断面図である。
【図３】図３は、ハブの前面図である。
【図４】図４は、構造梁の支持構造の模式図である。
【図５】図５は、構造梁の支持構造の模式図である。
【図６】図６は、結合部の詳細を示す。
【図７Ａ】図７Ａは、固定部の詳細を示す。
【図７Ｂ】図７Ｂは、固定部の詳細を示す。
【図８】図８は、結合部の詳細を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。本実施形態における風車は、図１に例示した構成を備える。図２は、その風車１のハブ５を側面から見た断面図である。図３はハブ５を前方、すなわちナセル３と反対側から見た図である。図３の例ではハブ５の周囲の３箇所の翼付根１７のそれぞれに翼７が取り付けられる。
【００１９】
ハブ５内に、機器を搭載するための架台である構造梁１０が設置される。構造梁１０としては、角鋼、Ｉ型鋼、アルミ合金製の梁などの様々な支持構造を採用することができる。本実施形態における構造梁１０はＨ鋼である。図２の例では構造梁１０は主軸４と略平行な方向に延長している。構造梁１０の後部、すなわちナセル３に近い側の端部の固定部１２Ｂは、固定部材１１を介しハブ５に剛結合される。構造梁１０の前部、すなわちハブ５の先端に近い側は、結合部１２Ａにおいてハブ５に柔結合される。構造梁１０は、どのような配置でハブ５の内部に配置されていてもよい。図３の例では、構造梁１０は、ハブ５の回転中心を中心として、図示しない油圧ピッチシリンダと交互に、３本が主軸と略平行な方向に配置される。このような構成により半可撓的な架台が構成される。
【００２０】
構造梁１０は、様々な機器を支持することができる。例えば風車の動作を制御するための制御盤や、ピッチを電動で制御する風車の場合には、ピッチ制御や各種センサーの制御を行うＰＬＣ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｌｏｇｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）やバッテリを構造梁１０に搭載することがある。本実施形態においては、３本の構造梁１０のそれぞれに、ハブ５に取り付けられる翼７のピッチを変化させるための油圧系統のアキュムレータ１４が各翼７に対応して設置される。
【００２１】
図４は、本実施形態における構造梁１０の支持構造の模式図である。構造梁１０は、その一端が固定部１２Ｂにおいてハブ５に対して剛結合され、他端が結合部１２Ａにおいて柔結合される。このような構造により、風車の回転時にハブ５が自重や風圧によって歪んだ場合に、その歪が柔構造の結合部１２Ａによって吸収される。そのためハブ５の歪によって構造梁１０に掛かる応力が抑制される。また剛結合によってハブ５の歪の影響を受けない程の強度を保持する強度部材に比べて、軽量な構造によってハブ５内に各種機器を保持することができる。
【００２２】
図１〜図３では、アップウインド型の風車において、構造梁１０の一端がハブ５の後方（風下側）で剛結合され、他端がハブ５の前方（風上側）で柔結合される例について説明した。しかし図４に示した一端が剛結合、他端が柔結合の支持構造は、他の構造の風車に適用した場合でも同様の効果を得ることができる。例えばアップウインド型の風車において、構造梁１０がハブ５の前後方向に対して斜めの向きを長手方向として配置されている場合であっても、構造梁１０の一端と他端がそれぞれハブ５に剛結合及び柔結合されていれば、構造梁１０に掛かる応力を抑制することができる。またダウンウインド型の風車の場合でも、任意の方向を向いて配置された構造梁１０に関して、同様の効果を得ることができる。
【００２３】
図４においては、構造梁１０の一方の端部がハブ５に対して柔結合されていることが特徴であり、剛結合側の固定部１２Ｂは、ハブ５に対して構造梁１０の端部を固定するものであれば、他の構造でもよい。図５は、そのような他の構造の例を示す。ハブ５の内部に複数の構造梁１０、１０−１が配置される。構造梁１０−１の一端が固定部１２Ｄにおいてハブ５に固定され、他端が固定部１２Ｅにおいてハブ５に固定される。この構造梁１０−１の両端の中間の固定部１２Ｃに、構造梁１０の一端が固定される。構造梁１０の他端は結合部１２Ａにおいてハブ５に対して柔結合される。このような構造の場合でも構造梁１０に掛かる応力を抑制することができる。
【００２４】
図６は、結合部１２Ａの詳細を示す。結合部１２Ａにおいて、ハブ５を形成する壁２７に貫通孔が設けられる。貫通孔の外側、すなわちハブ５の外側に、貫通孔を覆うようにフランジ１３がボルト１８によって壁２７に固定される。フランジ１３は、構造梁１０の延長方向と概ね同じ中心軸を有し、ハブ５の内部に向って開口する円形の穴を有する。図６の例では、その穴はハブ５の外部にも開口する貫通孔であるが、必ずしも貫通していなくてもよい。その貫通孔の内壁に球面軸受２４が溶接によって固定される。
【００２５】
本実施形態における構造梁１０はウェブ１９とフランジ２０とから成る所謂Ｈ字鋼である。ウェブ１９にホルダ２１を介して円柱形状のピン２２が取り付けられる。構造梁１０をピン２２を介して柔構造の支持部材に結合するピン結合によって、ラジアル方向には剛固定され、ハブ５の変形の範囲内でモーメントはフリー、アキシアル方向もフリーな柔結合の結合部１２Ａが実現される。構造梁１０とピン２２は長手方向が略同じである。ピン２２は、長手方向を向く中心軸を中心として構造梁１０に対して回転できるように取り付けられる。この回転可能性によって、結合部１２Ａがよりフレキシブルとなる。ピン２２の前部側の先端は構造梁１０の前部側の先端よりも前部側に突出する。
【００２６】
構造梁１０の先端は壁２７の貫通孔の内部に配置される。すなわち構造梁１０の先端は、壁２７の内側の壁面が形成する面を貫通孔の位置に延長した面２８よりもフランジ１３に近い前部側に位置する。構造梁１０の先端とフランジ１３との間には隙間２５がある。更に、構造梁１０の周囲には、壁２７の貫通孔の内壁面との間に隙間２６がある。構造梁１０の先端がハブ５の壁面の厚さ内に位置することにより、何らかの不測の事態によって結合部１２Ａに強い力が加わった場合にも、構造梁１０の端部をハブ５の貫通孔の内部に保持することができる。
【００２７】
ピン２２の端部は球面軸受２４に挿入される。球面軸受２４はラジアル軸受であり、ピン２２は球面軸受２４のスラスト方向に摺動可能である。ハブ５の変形によって固定部１２Ｂと結合部１２Ａとの距離が変化した場合に、ピン２２は球面軸受２４に対して摺動する。このような動作によって、構造梁１０に掛かる応力を抑制することが可能である。このような構成によって、構造梁１０の長手方向にハブ５との間の柔結合が実現される。
【００２８】
各々の構造梁１０が単一のピン２２を介して球面軸受２４によって支持され、且つ隙間２５、２６が有ることにより、構造梁１０は球面軸受２４を中心にして枢動することが可能である。このような構成によって、構造梁１０の枢動方向にハブ５との間の柔結合が実現される。このようにピン２２が球面軸受２４でラジアル方向に支持されることによって結合部１２Ａの柔結合が実現される。
【００２９】
図６に例示した結合部１２Ａに替えて、他の構造によって柔結合を実現することも可能である。例えば、球面軸受２４に替えてゴムブッシュによってピン２２をラジアル方向にのみ支持することによって、球面軸受２４と同様の柔構造を実現することができる。
【００３０】
図７Ａと図７Ｂは、それぞれ固定部１２Ｂの平面図と側面図である。この例では、図２における固定部材１１はＨ鋼である。固定部材１１はハブ５に対して固定される。構造梁１０の固定端（固定部１２Ｂ側の端部）は、ボルト・ナット１２Ｂ−１、１２Ｂ−２によって、構造梁１０と固定部材１１の平面形状の重なる領域において固定部材１１に固定される。構造梁１０は更に、ボルト・ナット１２Ｂ−３によって補強金具１２Ｂ−４に固定される。補強金具１２Ｂ−４はボルト・ナット１２Ｂ−５によって固定部材１１に固定される。補強金具１２Ｂ−４によって、構造梁１０と固定部材１１はその平面形状が重なる領域よりも広い範囲で相互に固定される。
【００３１】
図７Ａ、図７Ｂに例示したように、構造梁１０は固定部１２Ｂにおいてズレや捩れが無いように剛結合される。一方でこのような剛結合を行い、他方で結合部１２Ａにおいて柔結合を行うことによって、ハブ５内において様々な機器を支持する強度部材の構造に無理な力が掛からない。
【００３２】
このような構成により、ハブ５が回転してハブ５及びその内部の構造物が変形した場合に、柔結合によって構造梁１０とハブ５との間の相対的な変位を吸収することができる。そのため比較的軽量な構成によって、ハブ５内に配置された機器を支持し、回転に対して耐久性の高い架台を有する風車を実現することができる。
【００３３】
図８は、柔結合の結合部１２ａの他の例を示す。この例では、図６に示した結合部１２のようにハブ５の壁２７に貫通孔を形成する必要は無い。結合部１２ａは、図８に示すフランジ３１を備える。フランジ３１は、平板部２９においてハブ５の壁２７の内側面に固定される。フランジ３１は、平板部２９に対してハブ５の内側方向に、構造梁１０の結合部１２ａ側の端部を取り囲む凹部を有する。図８の例では、その凹部は、構造梁１０の長手方向を中心軸とする中空の円筒部材３０によって形成される。構造梁１０の先端は、円筒部材３０のハブ５の内側方向の先端が形成する面２８ａよりもフランジ３１の内側に配置される。このような構成により、図６の場合と同様に、何らかの不測の事態によって結合部１２ａに強い力が加わった場合にも、構造梁１０の端部をフランジ３１の内部に保持することができる。
【００３４】
平板部２９に、図４のフランジ１３と同様に、球面軸受２４を取り付けるための穴３２が設けられる。球面軸受２４に支持されるピン２２のハブ５の壁２７側の端部には隙間３３が設けられる。フランジ３１の円筒部材３０の内周面と構造梁１０との間に隙間２６ａが形成される。フランジ３１の平板部２９と、それに対向する構造梁１０の端部との間に隙間２５ａが形成される。これらの隙間により、構造梁１０が球面軸受２４において所定範囲で枢動可能であり、且つ長手方向に摺動可能な柔結合が実現される。
【００３５】
以上、実施の形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。上記実施の形態に様々な変更を行うことが可能である。
【符号の説明】
【００３６】
１  風車
２  タワー
３  ナセル
４  主軸
５  ハブ
６  カバー
７  翼
８  増速機
９  発電機
１０  構造梁
１１  固定部材
１２Ａ  結合部
１２Ｂ  固定部
１３  フランジ
１４  アキュムレータ
１５  構造梁
１７  翼付根
１８  ボルト
１９  ウェブ
２０  フランジ
２１  ホルダ
２２  ピン
２４  球面軸受
２５、２５ａ  隙間
２６、２６ａ  隙間
２７  壁
２８  ハブ５の内側方向の先端が形成する面
２９  平板部
３０  円筒部材
３１  フランジ
３２  穴
３３  隙間
【図１】
2011142033.tif 000003
【図２】
2011142033.tif 000004
【図３】
2011142033.tif 000005
【図４】
2011142033.tif 000006
【図５】
2011142033.tif 000007
【図６】
2011142033.tif 000008
【図７Ａ】
2011142033.tif 000009
【図７Ｂ】
2011142033.tif 000010
【図８】
2011142033.tif 000011
【手続補正書】
【提出日】平成23年8月17日(2011.8.17)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハブに取り付けられた翼によって風力をトルクに変換する風車であって、
前記ハブ内に配置される機器を支持する架台と、
前記架台の一端を前記ハブに対して固定する固定部と、
前記架台の他の一端を前記ハブに対して柔結合により結合する結合部
とを具備する風車。
【請求項２】
請求項１に記載された風車であって、
前記結合部において、前記架台は前記ハブに対して枢動方向に柔結合されている
風車。
【請求項３】
請求項２に記載された風車であって、
前記結合部は、
前記ハブの壁面に固定され、穴を有するフランジと、
前記穴の内側に固定された球面軸受とを具備し、
前記架台は、前記架台の前記結合部側の端部に結合されたピンを具備し、
前記結合部は、前記ピンが前記球面軸受に支持されることによって前記枢動方向の柔結合を形成する
風車。
【請求項４】
請求項３に記載された風車であって、
前記穴は貫通孔であり、
前記結合部において、前記ハブの壁に孔が形成され、
前記フランジは前記ハブの外側から前記孔を覆うように取り付けられ、
前記架台の前記結合部側の端部は、前記孔の内側に配置される
風車。
【請求項５】
請求項３に記載された風車であって、
前記フランジは、前記ハブの内側の壁面に固定され、
前記フランジは、前記架台の前記結合部側の端部を取り囲む凹部を有する
風車。
【請求項６】
請求項３から５のいずれかに記載された風車であって、
前記架台と前記フランジとの間に隙間が設けられた
風車。
【請求項７】
請求項３から５のいずれかに記載された風車であって、
前記球面軸受はラジアル軸受であり、
前記結合部は、前記ピンが前記球面軸受のスラスト方向に摺動することによって前記架台の長手方向の柔結合を形成する
風車。
【請求項８】
請求項１から５のいずれかに記載された風車であって、
前記結合部において、前記架台は前記ハブに対して前記架台の長手方向に柔結合されている
風車。
【請求項９】
請求項１から５のいずれかに記載された風車であって、
前記機器には前記ハブに取り付けられる翼のピッチを変化させるための油圧系統のアキュムレータ又は前記風車の動作を制御するための制御盤が含まれる
風車。
【国際調査報告】
2011142033.tif 000012
2011142033.tif 000013
2011142033.tif 000014
2011142033.tif 000015